带有纳米图形接触的2D半导体的转移过程插图(左)和带有转移结构的柔性透明衬底的照片(右)。资料来源:维多利亚·陈(Victoria Chen)、阿尔文·道斯(Alwin Daus)、Pop Lab

 

可穿戴柔性电子产品的长期前景被证明是难以捉摸的，但斯坦福大学的研究人员表示，他们已经取得了突破。天富平台如何？

 

超薄、柔性计算机电路多年来一直是一个工程目标，但技术障碍阻碍了实现高性能所必需的微型化程度。现在，斯坦福大学的研究人员发明了一种制造技术，可以制造出柔韧的、原子薄的晶体管，长度不到100纳米——比以前可能的尺寸小了好几倍。今天(2021年6月17日)发表在《自然电子》杂志上的一篇论文详细介绍了这项技术。

 

研究人员表示，随着这一进展，所谓的“伟创力”离现实更近了一步。柔性电子产品承诺可弯曲、可塑形、但高能效的计算机电路，可以佩戴或植入人体，执行无数与健康有关的任务。此外，在即将到来的“物联网”(internet of things)中，我们生活中的几乎所有设备都与柔性电子产品集成并相互连接，伟创力也应该能从中受益。

 

技术上的困难

 

在适用于柔性电子器件的材料中，二维(2D)半导体由于其优异的力学和电学性能(即使是在纳米尺度上)，比传统的硅或有机材料更有潜力。

 

迄今为止的工程挑战是，形成这些几乎不可能的薄器件需要一个过程，对柔性塑料基板来说，热强度太大。这些柔性材料在生产过程中会简单地融化和分解。天富平台的骗局

 

根据斯坦福大学电气工程教授埃里克·波普(Eric Pop)和波普实验室的博士后学者阿尔文·道斯(Alwin Daus)的说法，解决方案是一步一步地进行，从一个没有任何弹性的基材开始。

 

Pop和Daus在一层涂有玻璃的实心硅板上，形成一层原子薄膜，将2D半导体二硫化钼(MoS2)覆盖在微小的纳米图案金电极上。因为这一步是在传统的硅衬底上完成的，所以纳米级晶体管尺寸可以用现有的先进制图技术进行制图，从而实现在柔性塑料衬底上不可能实现的分辨率。

 

这种分层技术被称为化学气相沉积(CVD)，它可以一次生长出一层MoS2原子。最终得到的薄膜只有三个原子厚，但需要达到850摄氏度(超过1500华氏度)才能工作。相比之下，由聚酰亚胺(一种薄塑料)制成的柔性衬底，在摄氏360度左右(680华氏度)就会失去形状，在更高的温度下就会完全分解。

 

斯坦福大学的研究人员首先在坚硬的硅上形成这些关键部件的图案，并让它们冷却，这样就可以在不损伤的情况下应用这种柔性材料。只要在去离子水里简单洗个澡，整个设备堆叠就会脱落，现在完全转移到柔性聚酰亚胺上。

 

经过几个额外的制造步骤，其结果是柔性晶体管，其性能比以往任何采用原子薄半导体生产的都要高几倍。研究人员说，虽然可以建造整个电路，然后转移到柔性材料上，但后续层的某些复杂性使转移后的这些额外步骤更容易。天富平台的骗局

 

“最终，整个结构只有5微米厚，包括柔性聚酰亚胺，”Pop说，他是这篇论文的资深作者。“这比人的头发还要细十倍。”

 

虽然生产纳米晶体管的技术成就一个灵活的材料是显著的,研究人员还形容他们的设备“高性能”,在这种情况下,这意味着他们能够处理操作在低电压、高电流而作为低功耗的要求。

 

Daus是这篇论文的第一作者，他说:“这种缩减有几个好处。”“当然，你可以在一个给定的区域内安装更多的晶体管，但你也可以在更低的电压下获得更高的电流——以更少的功耗实现高速运行。”

 

同时，在使用过程中，金金属触点将晶体管产生的热量散发和扩散——这些热量可能危及柔性聚酰亚胺。

 

有前途的未来

 

随着原型和专利申请的完成，Daus和Pop已经开始了他们的下一个挑战，即完善设备。他们已经用另外两种原子薄半导体(MoSe2和WSe2)制造了类似的晶体管，以证明该技术的广泛适用性。